Lección 13 Respiración Celular PDF

Lección 13: Respiración celular y Fermentación Prof. Juan C Pedraza Gonzalez Biol 1101 Universidad Interamericana de Puerto Rico Recinto de Arecibo Objetivos Reaciones de oxidacion-reduccion Metabolismo catabolico y anabolico Respiracion Aer...

Lección 13: Respiración celular y Fermentación Prof. Juan C Pedraza Gonzalez Biol 1101 Universidad Interamericana de Puerto Rico Recinto de Arecibo Objetivos Reaciones de oxidacion-reduccion Metabolismo catabolico y anabolico Respiracion Aerobica Glucolisis Formacion de acetil CoA Ciclo de Krebs Cadena de Transporte de electrones Quimiosmosis Respiracion anaerobica Fermentacion Alcoholica Lactica Catabolismo de nutrients Oxidacion de nutrientes Oxidacion de acidos grasos “Life at Work” Esta presentación entenderemos como la célula cosecha esa energía química en las moléculas orgánicas y las utiliza para generar ATP, a través de respiración celular. ATP es la molécula que impulsa la mayoría del trabajo celular Las vías catabólicas y la producción de ATP Respiración celular es un termino que incluye: Respiración aeróbica Respiración Anaeróbica El proceso general de Respiración aeróbica se puede resumir: Compuesto orgánico + oxigeno → CO2 + agua + Energia Dieta común de animales es almidón: un polisacárido de almacenamiento que se puede romper a __?__ (molecula simple) C6H12C6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Energia (ATP +calor) Es un proceso Exergónico, teniendo una ΔG = -686 kcal/mol Reacciones Redox – Oxidación y Reducción En muchas reacciones químicas ocurren por transferencias de electrones llamadas Reacciones de oxidación-reducción (Rx redox) La pérdida de electrones de una substancia = Oxidación La adición de electrones a otra substancia = Reducción Agente Reductor= (Donador) Agente Oxidante = (Aceptador) Combustion del Gas metano: (reaccion comun que vemos en las ornillas de cocina de gas) Energía tiene que ser añadida para halar el electrón lejos del átomo. Mientras más electronegativo el átomo más energía tienes que añadir para removerle ese electrón. El electrón pierde energía potencial mientras se mueve de un átomo menos negativo a uno mas negativo. (de la misma manera una bola pierde energía potencial cuando rueda cuesta abajo) La Rx redox mueve el metano más cerca al oxígeno, Como el quemar (oxidación) del metano, por lo tanto, libera energía que se puede poner a trabajar.  Reacción Redox que biólogos nos interesa: La oxidación de Glucosa y la reducción de Oxigeno El estado de energía del electrón cambia mientras el hidrogeno (con su electrón) es transferido a oxígeno. En la respiración, la oxidación de la glucosa transfiere electrones a un estado de energía más bajo, liberando energía que queda disponible para la síntesis de ATP. Repaso- Barrera de activación de energía ¿Que hacen las enzimas? ¿Por lo tanto que haran las enzimas de nuestro cuerpo? Esto es lo que impide que cause que el flujo de electrones Vuelva a su estado de baja energía. Sin esta barrera la comida se combinaría instantáneamente con el O2.  Recolección de energía escalonada a través de NAD+ La respiración celular no oxida glucosa de un cantazo, si no tiene que ocurrir escalonadamente, siendo catalizada por una enzima NAD+ (nicotinamide adenine dinucleótido) [derivado de la vitamina niacina (Vit B3)] Compuesto: Dos nucleótidos unidos en sus fosfato Nicotinamida (base nitrogenada de un solo anillo) Adenina (base nitrogenada de dos anillos) ¿Como el NAD+ Por la enzima Deshidrogenasa Remueve par de átomos de hidrogeno (2 –e y 2 protones H) del atrapa electrons substrato así oxidándolo Se les entrega 2 –e y un protón H a la coenzima NAD+ de Glucosa ? El protón restante H es liberado a la solución acuosa de alrededor  ¿Qué es la fosforilación a nivel de substrato? Una forma de síntesis de ATP Ocurre cuando se transfiere un grupo fosfato de una molécula de sustrato a ADP La molécula sustrato se refiere a una molécula orgánica generada como intermediario durante el catabolismo de glucosa Respiración Aeróbica Tiene 4 vías importantes: 1. Glicolisis 2. Oxidación de piruvato 3. Ciclo de Krebs 4. Fosforilación oxidative Glycolisis- Recolecta energía química mediante la oxidación de la glucosa a piruvato Ocurre en el CYTOSOL de la celula UNA molecula de azucar de 6 carbono es dividida en Dos moleculas 3 carbono Proceso degradativo que rompe glucosa a dos moleculas de PYRUVATO Se puede separar en dos fases: Enrergy investing Phase and Energy Payoff phase  Glycolisis- Net gain (totalidad de energia obtenida) 2 NADH y 2 ATP Este solo libera ¼ de la energia quimica en glucosa Todos los C en Glucosa (6) en las 2 moleculas de piruvato, No se libera CO2 Se libera 2 moleculas de H2O  Oxidación de Piruvato Proceso que Une glicolisis a Ciclo de Krebs Al entrar piruvato a la mitocondria por transporte activo Es convertido por Coenzima A y NADH → Acetil COA Se cataliza 3 reacciones: El grupo carboxilo (—COO-), oxidado y con poca energía es liberado en forma de CO2 (primera vez que se libera en Rx aeróbica) Los carbonos restantes forman Acetato (electrones son transferidos a NAD+) Coenzima A se enlaza acetato → Acetil CoA Esta molécula de Acetil CoA es alta en energía potencial Ciclo de Krebs Ciclo de Krebs- “Citric Acid Cycle’’ ocurren en la matriz mitocondrial. Desempeña un papel central en la conversión de la energía bioquímica de los nutrientes en ATP Entrada: El acetil-CoA, derivado del piruvato (que proviene de la glucólisis), entra en el ciclo. Salidas: Para cada molécula de acetil-CoA, el ciclo produce 2 moléculas de CO₂, 3 moléculas de NADH, 1 molécula de FADH₂ y 1 molécula de ATP (o GTP) Net gain: 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2 y 2 ATP (GTP) NADH y FADH₂ producidos en el ciclo de Krebs transportan electrones de alta energía a la cadena de transporte de electrones, donde su energía se utiliza para producir una gran cantidad de ATP a través de la fosforilatio oxidativo Regulación: El ciclo está estrictamente regulado por la disponibilidad de sustratos (como acetil-CoA y NAD⁺) La inhibición por la retroalimentación negativa de sus productos (como ATP y NADH). Las enzimas reguladoras clave incluyen el citrato sintasa (1), el isocitrato deshidrogenasa(3) y la α- cetoglutarato deshidrogenasa (4) Oxidación Fosforilaría Cadena Transporte de Electrones Quimiosmosis Cadena de Transporte de Electrones (CTE) Función principal: Producción de ATP Ocurre: Membrana internas de la mitocondrias (Crestas) Se compone de : Enzimas- Que existen como un complejo multiproteico numerados I a IV 1. NADH Deshidrogenasa 2. Succinato deshidrogenasa NaDH-se compone de flavina 3. Citocromo bc1 y hierro 4. Citocromo C oxidasa Grupos prostéticos- Fuertemente Unidos a las proteínas, son componentes no proteicos esenciales para las funciones catalíticas de ciertas enzimas Flavinas- como Flavin mononucleótido (FMN) y FAD Grupos Hierro-azufre (Fe.S) Iones Cobre (Cu)- presente en el complejo IV Citocromos(b, c, c1, a, a3) – sus grupos prostéticos con tiene Grupos hemes (hierro), estos aceptan y donan electrones Ubiquinona o Coenzima Q  Flujo de Electrones en CTE- (Reac. OXI-RED) examen Viene en forma de orden de sucesos para 1. Durante Glicolisis y ciclo de Krebs se generaron NADH Y FADH 2. Los electrones de NADH son transferidos a la primera proteína de CTE en la NADH deshidrogenasa, reduciendo a FMN → reduciendo Fe.S 3. Fe.s → reduce ubiquinona (Q)(CoQ)(una molécula hidrofóbica, móvil) 4. Ubiquinona → reduce Citocromo bc1 (Proteína III) →Reduce Citocromo C 5. Citocromo C → reduce a proteína IV Cit a3 (Citocromo C Oxidasa) 6. Cit a3 → reduce a oxígeno ( altamente electronegativo) → -2eO2 aceptador final 7. Neutraliza la carga -2 negativa enlazando dos protones de H+ de la solución acuosa → H20 ❖Cuando el donador de electrones es FADH2, añade su electrón dentro del complejo II (menor nivel de energía), provee 1/3 de energía menos para la síntesis de ATP ¿Como las mitocondrias enlazan estos transportes de electrones y liberación de energía a la síntesis de ATP? Quimiosmosis Quimiosmosi--Mecanismo de acoplamiento de energía Flujo de Electrones: Los electrones son donados por moléculas como NADH y FADH2, y pasan a través de los complejos proteicos. Esta donación de electrones conlleva una liberación de protones(H+) atraves de la membrana mitocondrial interna creando un Gradiente de Protones = “Proton motive forcé” Quimiosmosis= Es el proceso, en el cual, la energía almacenada en la forma de gradiente de iones de Hidrogeno (protones) es utilizada para realizar trabajo. Ejemplo Síntesis de ATP En procariotas: utilizan el “proton motive forcé”- generar ATP, para mover el flagelo y bombear nutrientes y desechos entre la membrana Sintetasa de ATP Complejo de Multi-subunidad con cuatro partes principales, cada una compuesta de múltiples polipéptidos 1) Los protones se enlazan en el “binding sites” del ROTOR, causando que rote de una manera que cataliza la producción de ATP, a partir de ADP y fosfato inorgánico. 2) Los protones tienden la tendencia de moverse a través de la membrana, difundiéndose bajo su gradiente de concentración. Una molécula NADH → 2.5 ATP Una molécula FADH → 1.5 ATP Una molécula de glucosa → genera 28 ATP por oxidación fosforilaría + 4 ATP fosforilación a nivel de substrato. Total de 32 ATP Eficiencia de Respiración aeróbica: ❑ La oxidación completa de un mol de glucosa libera 686kcal de energía (∆G = -686kcal/mol) Fosforilación de ADP a ATP almacena aprox 7.3Kcal por mol de ATP 32 ATP x 7.5Kcal/mol = 240 kcal/mol dividido por 686Kcal = 0.34% ❑ 34% de la energía en glucosa es transferida a energía química (ATP) altamente eficiente en comparación con la combustión de automóviles que convierte 25% de la energía almacenada en gasolina a energía mecánica para mover el carro ❑ El resto de la energía almacenada es liberada como CALOR → utilizada Mantener la temperatura 37 C y el resto lo disipamos a través de sudor y mecanismos de enfriamiento Respiración anaeróbica y Fermentación Respiración anaeróbica Organismo: Bacteria y Arquea viven en un ambiente sin oxigeno Se realiza los mismos procesos: GLICOLISIS, OXIDACION DE PYRUVATO y CICLO DE KREBS * Las diferencias claves son: * Que en la CTE no utilizan el oxígeno como el ultimo aceptador de electrones si no utilizan agentes menos electronegativos como: Iones de sulfato (SO42-)→ creando producto H2S (sulfuro de hidrogeno) Nitratos (NO3-) → creando nitrógeno (N2) y agua Carbonatos(CO3-)→ creando metano (CH4) y agua La producción de ATP es menor debido a la menor eficiencia de los aceptadores de electrones Fermentación La manera de obtener energía química sin la necesidad de usar oxigeno o la CTE Ocurre en muchas células: células musculares humanas y Levaduras Dos procesos: Glicolisis- Oxidación de glucosa para formar 2 moléculas de piruvato Reacciones que regenera NAD+ por la transferencia de electrones de NADH a Piruvato Los NAD+ son reusados para oxidar azucares por glicolisis y generar dos ATP por fosforilación a nivel de substrato Tipos de fermentación: Fermentación de alcohol Fermentación de ácido láctico  Fermentación de Alcohol Pyruvato convertido a etanol (alcohol etilico) Ocurre en 2 pasos: Piruvato se libera CO2 → acetaldehído (compuesto de 2 carbono) Acetaldehido es reducido por NADH → etanol Regenerando la demanda de NAD+ necesitada para la continuación de glicolisis y la generación de ATP Bacterias en condiciones anaeróbicas Levaduras para la elaboración de cerveza, vinificación y panaderia Fermentación de acido lactico Piruvato es reducido directamente por NADH para formar Láctate (forma ionizada de ácido láctico) Sin liberación de C02 Utilizado por industria de la leche para hacer Yogurt Queso  ¿Qué ocurre en los Musculo durante ejercicio intense? El metabolismo de azúcar para la producción de ATP supera el suministro de oxígeno en la sangre. Resultando intercambio de proceso de respiración celular a fermentación de ácido láctico Llevando a cabo la acumulación de láctate y potasio (K+) Responsable de la fatiga muscular y dolor El lactato es transportado al hígado donde se convierte devuelta a Piruvato (células hepáticas) Catabolismo de nutrientes La dieta humana no se compone de moleculas libres de glucose Al contrario, obtenemos la mayoria de nuestras caloria: de grasas, proteinas, disacaridos y polisacaridos (almidon). (3 macromoleculas) Catabolismo de macromoleculas: carbohidratos: metabolismo de fructosa y galactosa proteínas: Oxidación de aminoácidos ácidos grasos: Oxidación de ácidos grasos Oxidación de aminoácidos 1.Desaminación: Se eliminan el grupo funcional amino, formando amoníaco y un esqueleto carbonado. 2.Conversión a Intermediarios Metabólicos: Los esqueletos carbonados se convierten en intermediarios del ciclo de Krebs, como el Acetil-CoA, el piruvato o el oxaloacetato1. 3.Ciclo de Krebs: Estos intermediarios entran en el ciclo de Krebs para producir ATP, NADH y FADH₂, que luego se utilizan en la cadena de transporte de electrones para generar más ATP2. Oxidación de ácidos grasos Proceso llamado Beta-oxidación- rompe acido grasos a dos fragmentos de carbono, que luego entra el Ciclo de Krebs como acetyl COA. Las grasas son excelentes combustibles debido a su estructura química y al alto nivel de energía de sus electrones, produciendo más del doble de ATP que los carbohidratos. Sin embargo, esto también significa que perder peso es difícil porque cada gramo de grasa almacena muchas calorías. Bibliografía Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Jackson, R. B., & Minorsky, P. V. (2013). Campbell Biology. Benjamin-Cummings Publishing Company Videos para major entendimiento Ingles What is ATP? Youtube amoeba sisters (7) Respiración Celular (ACTUALIZADO) - YouTube amoeba sisters (7) Fermentation – YouTube amoeba sisters Español Cadena de transporte de electrones y Quimiosmosis (síntesis de ATP) [Fosforilación oxidativa] Cadena de Transporte de Electrones (HarvardX) | Doblado al español  Dinámica: “El Experimento del Globo y la Levadura” Objetivo: Mostrar cómo la respiración anaeróbica produce gas (dióxido de carbono) y cómo se puede observar este proceso de manera visual. Materiales: Botellas de plástico pequeñas (una por grupo), Globos, Levadura seca (Saccharomyces cerevisiae), Azúcar, Agua tibia, Cucharas y embudos Procedimiento: 1. Preparación de la Solución: 1. Llena cada botella hasta la mitad con agua tibia. 2. Añade una cucharada de azúcar y una cucharadita de levadura seca a cada botella. 3. Mezcla bien para disolver el azúcar y activar la levadura. 2. Colocación del Globo: 1. Coloca un globo sobre la boca de cada botella, asegurándote de que esté bien sellado para que no escape el gas. 3. Observación: 1. Deja las botellas en un lugar cálido y observa durante 15-30 minutos. 2. Los estudiantes verán cómo los globos comienzan a inflarse a medida que la levadura fermenta el azúcar, produciendo dióxido de carbono. Discusión: Explicación del Proceso: Explica que la levadura está realizando respiración anaeróbica, descomponiendo el azúcar en ausencia de oxígeno y produciendo dióxido de carbono y etanol. Comparación con la Respiración Aeróbica: Discute las diferencias entre la respiración aeróbica y anaeróbica, incluyendo la eficiencia en la producción de ATP y los productos finales.